Bài giảng môn học LÝ THUYẾT MẠCH ppsx

Mục tiêu• Tạo tiền đề nghiên cứu lý thuyết mạch • Hiểu nguyên tắc làm việc của các phần tử trong mạch điện, các kiểu mạch điện, năng lượng lưu trữ trong các phần tử,… 2... Tổng quan về

Bài giảng môn học

LÝ THUYẾT MẠCH

Giảng viên: Nguyễn Lê Mai Duyên

Email: maiduyennl@gmail.com

1

Mục tiêu

• Tạo tiền đề nghiên cứu lý thuyết mạch

• Hiểu nguyên tắc làm việc của các phần tử

trong mạch điện, các kiểu mạch điện, năng lượng lưu trữ trong các phần tử,…

2

TÀI LiỆU THAM KHẢO

• Tập bài giảng môn học Lý thuyết mạch

• Lý thuyết mạch (tập 1)- Hồ Anh Túy, Phương

Xuân Nhàn, nhà xuất bản giáo dục.

• Irwin, Chwan-HwaWu John Wiley & Son,

Basic Engineering Circuit analysis J.David, Inc 2003

• Schematic Capture with Cadence Pspice,

Marc E.Herniter Prentice Hall, Inc 2001

3

Đặc điểm

bên trong

Phân tích mạch

Tinh chỉnh dựa vào

các phép đo

Tinh chỉnh trên cơ sở

thí nghiệm

Nhu cầu Chỉ tiêu thiết kế

Mô hình mạch Mẫu thưGiải pháp Mạch đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật

Tổng quan về lý thuyết mạch

Tổng quan về lý thuyết mạch

• Các phần tử mạch điện tử(Electrical circuit

elements) là các mô hình vật lý lý tưởng

được xác định bởi mối quan hệ giữa các đầu cuối điện áp và dòng điện Các phần tử trong mạch có thể có hai hay nhiều các đầu cuối

• Một mạch điện tử bao gồm các phần tử mạch

điện liên kết với nhau trong một hay nhiều

vòng kín.

5

• Mạch thông số tập trung là mạch trong đó

điện áp và dòng điện là các hàm chỉ phụ

thuộc thời gian Các phần tử mạch tập trung bao gồm điện trở, tụ điện, cuộn cảm, nguồn độc lập, nguồn phụ thuộc

• Mạch phân tán là mạch có điện áp và dòng

điện phụ thuộc đồng thời vị trí và thời gian Đường truyền dữ liệu là phần tử mạch phân tán

6

Tổng quan về lý thuyết mạch

• Các đại lượng cơ bản: Điện áp, dòng điện,

Áp lực Hiệu điện thế

Dòng điện

Tốc độ

dòng chảy

h

• Dòng điện là sự chuyển dời có hướng của các

điện tích dương

• Được đo bằng Amperes (A) = 1 Coulomb/s

q = 1.6022×10-19 C

• Dòng điện được kí hiệu là I hay i.

• Thông thường, dòng điện là một hàm bất kỳ

theo thời gian.

– Dòng điện không đổi gọi là dòng một chiều- direct

-Dòng điêên là tốc đôê di chuyển của điêên tích thông qua môêt bề măêt vâêt liêêu

(A)

Amperes second

Coulombs Time

=

i

• Điện áp là lực điện được cung cấp bởi nguồn

hay hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch điện

• Được đo bằng Volts, kí hiệu là V hay v

11

Tổng quan về lý thuyết mạch

• Kí hiệu v và i thường được sử dụng như là

các hàm của điện áp hay dòng điện theo thời gian.

• Kí hiệu V và I thường được gán cho điện áp,

dòng điện một chiều DC hay điện áp, dòng điện xoay chiều ở trạng thái ổn định

12

Tổng quan về lý thuyết mạch

• Dòng điện được quy ước theo chiều dịch

chuyển của điện tích; dòng điện cùng chiều với hướng quy ước có giá trị dương; dòng điện có hướng ngược với chiều quy ước có giá trị âm

• Điện áp được quy ước theo cực; áp rơi theo

cực quy ước có giá trị dương; áp rơi ngược với cực quy ước có giá trị âm

• Khi phân tích mạch, cực điện áp quy ước

thường được xác định theo hướng của dòng điện quy ước

13

Tổng quan về lý thuyết mạch

• Công suất là đại lượng đo lường mức cung

cấp hay tiêu thụ năng lượng

• Công suất được tính bằng tích của điện áp

và dòng điện :

Ví dụ: Dòng điêên 10A ở mức hiêêu điêên thế 120V

tạo ra công suất 1.2 KW

• Quy ước: Công suất dương nghĩa là năng

lượng được tiêu thụ; công suất âm là năng lượng được cung cấp

14

Các phần tử tích cực và thụ động

• Phần tử tích cực có thể tạo ra năng lượng

– Ví dụ: các nguồn độc lập hay phụ thuộc.

• Các phần tử thụ động không thể tạo ra năng

Các loại nguồn độc lập và phụ thuộc

• Một nguồn độc lập ( áp hay dòng) có thể

không đổi hay thay đổi theo thời gian; giá trị

của nó không phụ thuộc vào điện áp hay dòng điện khác trong mạch

• Một nguồn phụ thuộc có giá trị phụ thuộc vào

điện áp hay dòng điện khác trong mạch

17

Liên kết các nguồn áp lý tưởng

Nguồn áp lý tưởng được liên kết theo kiểu nối tiếp

Nguồn áp liên kết theo kiểu song song?

• Các nguồn áp lý tưởng không thể liên kết theo kiểu song song

• Trong thực tế hiệu điện thế sẽ lấy theo áp của nguồn mạnh hơn

• Việc nối song song các nguồn áp sẽ làm hỏng mạch

• Trong thực tế không tồn tại các nguồn lý tưởng

• Về nguyên tắc cho phép tồn tại hai nguồn áp lý tưởng mắc song song

nhưng sẽ không được áp dụng trong thực tế

Nguồn dòng lý tưởng: Mắc nối tiếp?

• Các nguồn dòng lý tưởng không

thể mắc nối tiếp

• Các nguồn dòng mắc nối tiếp có

thể làm hỏng mạch

Ghép nối các nguồn dòng

• Các nguồn dòng phải được ghép nối theo

kiểu song song

Ngắn mạch khi nguồn áp bằng zero (0 V)

• Nguồn áp lý tưởng V s = 0 V thì xem như mạch ngắn

• Vì v = iR và R = 0, v = 0 bất chấp i

• Có thể vẽ nguồn với V s = 0 V, nhưng điều này không thực hiện trong thực tế

• Không thể nối nguồn áp với mạch ngắn

• Thực tế dây dẫn không hỏng mà nguồn áp bị hỏng (nếu không được bảo vệ)

Nguồn phụ thuộc

+ -

v=f(v x)

Nguồn áp được điều khiển bởi điện áp

- Voltage Controlled Voltage Source

(VCVS)

+ -

I=f(V x)

Nguồn dòng được điều khiển bằng

điện áp - Voltage Controlled Current

Source (VCCS)

I=f(I x)

Nguồn dòng được điều khiển bằng dòng điện - Current Controlled Current Source (CCCS)

26

Nguồn phụ thuộc

Các phần tử thụ động

• Điện trở

• Tụ điện và mạch tương đương

• Cuộn cảm và mạch tương đương

27

Điêên trở là phần tử mạch điêên rất thông dụng

Chức năng của điện trở là gì ?

Điện trở

• Điện trở là phần tử là phần tử mạch hấp thụ

điện năng và toả năng lượng, thường là

nhiệt năng

• Các thiết bị theo mô hình điện trở trong thực

tế: Bóng đèn dây tóc, các thiết bị toả nhiệt, các dây dẫn dài, các điện trở ký sinh,…

29

Điện trở

• Điện trở được đo bằng ohm(Ω)

• Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và dòng điện tuân

theo định luật ohm

• R=U/I

phần còn lại của

Điện dẫn

• Đôi khi sử dụng điện dẫn thay cho điện trở

• Điện dẫn đo khả năng dẫn điện của phần tử mạch điện

• Điện dẫn nghịch đảo với điện trở

•

•

Trở kháng có thể tính toán dựa trên cấu trúc hình học của điêên trở

σ = độ dẫn điện ( Ω m )

L = Chiều dài dây dẫn ( m )

A = Tiết diện ( m 2 )

L

σ

A

R = L

A

σ

Dây dẫn dài cho điện trở lớn

Điện kháng phụ thuộc vào vật liệu

Tiết diện dây dẫn lớn cho điện trở thấp

L

σ

A

Dây đồng có điêên trở rất thấp

Chú ý

Giá trị của điện trở và kích thước vật lý của điện trở không phụ thuộc nhau, cùng kích thước nhưng giá trị có thể khác nhau.

Công suất tỏa nhiệt của điện trở phụ thuộc kích thước của điện trở

100 Ω resistor 1200 Ω resistor

_ _ × 10  Ω ± %

Giá trị của điện trở và dung sai(sai số) của nó được thể hiện trên 4 vòng màu

Làm cách nào biết màu nào ứng với giá trị

nào?

Trả lời: Sử dụng bảng mã màu của điện trở

Giá trị điện trở = 10×10 2Ω

Ví dụ 1.2

Yellow =4 Violet =7 Orange =3 Gold = ±5%

Xác định giá trị danh định, giá trị lớn nhất, nhỏ nhất có thể của điện trở sau đây

Orange =3 White =9 Green =5 Silver = ±10%

Xác định giá trị danh định, giá trị lớn nhất, nhỏ nhất có thể của điện trở sau đây

Ví dụ 1.3

5-Band ResistorsĐối với điện trở có sai số ±1% hay ±2%, mã màu gồm 5 vạch

_ _ _ × 10  Ω ± %

Ví dụ 1.4: Xác định giá trị danh định và dung

sai của điện trở sau đây

Blue = 6 Gray = 8 Black = 0 Orange = 3 Brown = ± 1%

Bài tập 1.1: Xác định giá trị danh định và dung

sai của điện trở sau đây

Ví dụ 1.5: Chỉ ra mã màu của điện trở có giá trị danh

Bài tập 1.2: Chỉ ra mã màu của điện trở có giá trị danh định là 1.5k Ω và sai số là ± 5% Bài tập 1.3: Chỉ ra mã màu của điện trở có giá trị danh định là 2.5M Ω và sai số là ± 1%.

Điện cảm

• Điện cảm: Là thông số đặc trưng cho các

phần tử hai cực mà điện áp trên hai đầu tỷ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện đi qua nó

• U(t)=Ld(i)/dt

• Đơn vị đo chuẩn: Henry (H)

• Kí hiệu:

46

Tụ thường đóng vai trò là các thiết bị tích trữ năng lượng

10 µ F 100kV

Danger High Voltage

1 µF

440pF

Tụ tích điêên

v C

≡

q

10 µ F 100kV

Danger High Voltage

C = 10 µ F

V = 100 kV

q = 1 Coulomb

Phần tử điện dung (Tụ điện)

• Điện dung là phần tử tập trung đặc trưng cho

các phần tử hai cực mà dòng điện đi qua nó

tỷ lệ với tốc độ biến thiên của điện áp đặt

trên hai đầu.

Nếu biết được quy luâêt thay đổi hiêêu điêên thế trên tụ, có thể tính được dòng điêên

Ví dụ: C = 10 µF, V=10 e -1000 t Volts

dt

d C

i ( t ) v ( t )

=

I (t) = 10-5 (-1000) 10 e -1000 t A = -100 e -1000 t mA

Điêên dung của tụ có thể được tính toán

dựa trên cấu trúc hình học của nó

ε :hằng số điện môi, ε = εrεο

εr = hằng số điện môi tương đối

εo = 8.85 * 10-12 Farads / meter

Hỗ cảm

• Hỗ cảm là thông số đặc trưng cho sự tác động

qua lại giữa các thông số điện cảm do hiện tượng cảm ứng điện từ

• Hỗ cảm được coi là thuận chiều khi sự biến thiên

điện áp trên nhánh này làm tăng dòng điện trên nhánh kia, trên sơ đồ thể hiện ở dòng điện trên

hai nhánh cùng vào hoặc cùng ra trên hai đầu

được đánh dấu

• Đơn vị đo là Henrry (H) hoặc mH

• Kí hiệu:

52

Các phần tử trữ năng lượng

• Tụ điện trữ năng lượng ở dạng điện trường

• Cuộn cảm trữ năng lượng ở dạng từ trường.

• Tụ điện và cuộn cảm là các phần tử thụ động :

– Có thể trữ năng lượng do mạch cung cấp

– Có thể giải phóng năng lượng dự trữ vào mạch

– Không thể cung cấp thêm năng lượng cho mạch ngoài năng lượng đã được dự trữ

53

• Điện áp và dòng điện trong mạch không có

các phần tử tích trữ năng lượng được biểu diễn bằng các phương trình đại số

• Điện áp và dòng điện trong mạch có các

phần tử trữ năng lượng là các phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng.

54

Các phần tử trữ năng lượng

• Thông thường không giải trực tiếp các phương

trình này mà sẽ sử dụng các phương pháp sau:

– Biến đổi Laplace

– Phân tích AC trạng thái bền

• Những kỹ thuật này sẽ chuyển các phương trình

sai phân thành các phương trình đại số

55

Các phần tử trữ năng lượng

• Tụ điện và cuộn cảm được dùng để tạo nên

các bộ lọc và bộ khuếch đại với đáp ứng tần

số mong muốn

• Tụ điện được sử dụng trong bộ chuyển đổi

A/D để lấy mẫu và số hóa tín hiệu

• Cuộn cảm được sử dụng trong biến thế

56

Ứng dụng của các phần tử trữ năng lượng

i C

t v t

v

0

) (

1 )

( )

57

Tụ điện

• Điện áp qua tụ không thể thay đổi tức thì mà

phải có thời gian quá độ.

• Năng lượng tích trữ trong tụ được cho bởi

công thức:

)

( 2

1 )

( t Cv2 t

wC =

58

Cuộn cảm

• Hiện tượng tự cảm xảy ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây

• Dòng điện chảy qua cuộn dây tạo nên trường

điện từ tương ứng với dòng điện.

• Hiệu điện thế của cuộn dây tương ứng với sự thay đổi của từ trường

• Độ tự cảm kí hiệu là L, đo bằng Henrys (H)

59

Cuộn cảm

dt

t

di L

v L

t i t

i

0

) (

1 )

( )

60

Cuộn cảm

• Dòng điện qua cuộn cảm không thể thay đổi

tức thì mà phải có giai đoạn quá độ.

• Năng lượng trữ trong cuộn cảm được cho

bởi công thức:

)

( 2

1 )

( t Li 2 t

wL =

61

wires

• Ví dụ: Sơ đồ mạch điện :

“Điểm đất-mass”:

là điểm tham chiếu mà tại đó

điện thế giả thiết bằng zero.

64

Mạch điện

• Chỉ những phần tử mạch điện trong vòng kín

mới đóng vai trò chức năng trong mạch

Phần tử này có thể loại khỏi

mạch mà không ảnh hưởng đến chức năng của mạch.

65

Mạch điện

Mạch điện

• Có 2 bài toán về mạch điện

– Phân giải mạch điện: cho mạch và tín hiệu vào, tìm tín hiệu ra

– Tổng hợp mạch điện: Thiết kế mạch khi có tín hiệu vào và ra

• Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra là mối

quan hệ nhân quả nghĩa là tín hiệu ra chỉ phụ

thuộc tín hiệu vào ở quá khứ và hiện tại chứ

không phụ thuộc tín hiệu vào ở tương lai

66

Phân loại

• Mạch tuyến tính:

– Mạch chỉ gồm các phần tử tuyến tính là mạch tuyến tính

• Mạch bất biến theo thời gian:

– Mạch có mối liên hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

không thay đổi theo thời gian, nếu tín hiệu vào trễ t giây thì tín hiệu ra cũng trễ t giây nhưng dạng và độ lớn

không thay đổi

67

– Phần tử tập trung khi tín hiệu qua nó có thể coi là tức thời, i1=i2

Với i1: dòng vào phần tử, i2: dòng ra khỏi phần tử

– Mạch tập trung chỉ gồm các phần tử tập trung

– Mạch không tập trung là mạch phân tán,vd: Dây dẫn là mạch phân tán với các phần tử R,L,C phân bố đều

68

• node là một điểm đẳng thế trong mạch Ngay khi các phần tử trong mạch thay đổi giá trị, node vẫn là một điểm đẳng thế

• Để tìm một node, bắt đầu tại một điểm trong

mạch, từ điểm này tất cả phần mạch dò dọc từ node đều thuộc node đó

69

Mạch điện

Định nghĩa node

 Ví dụ: Có bao nhiêu node? Có bao nhiêu node cơ bản?

điểm kết nối

• Ví dụ: Có bao nhiêu nhánh?

• Nhánh: Một phần tử hai đầu cuối trong mạch

• Một đoạn dây dẫn không được tính như một

phần tử (hay nhánh)

Định nghĩa vòng(Loop)

 Ví dụ: Có bao nhiêu vòng ?

 Loop: bất kỳ đường đóng nào trong mạch

• Nếu chúng ta biết điện thế của các node trong

mạch so với điện thế đất thì có thể xác định

hiệu điện thế hay dòng điện bất kỳ.

74

Mạch điện

Ví dụ

75

•Một mạch điện gồm hai hay

nhiều phần tử nối với nhau,

các phần tử trong mạch tạo

thành những nhánh

•Giao điểm của hai hay

nhiều nhánh được gọi là một

Điện trở nối tiếp (serial)

Hai phần tử trong mạch là nối tiếp khi dòng

điện chạy qua chúng là như nhau (bằng nhau).

2

Nối tiếp

76

Xét áp rơi trên các điện trở nối tiếp:

v1(t)

v2(t)

2 1

1

1( ) ( )

R R

R t

v t

v

+

=

2 1

2

2( ) ( )

R R

R t

v t

• Nếu thay thế hai điện trở nối tiếp bằng một điện

trở tương đương thì mối quan hệ dòng-áp vẫn

không thay đổi, điện trở tương đương có giá trị như sau:

• Đối với N điện trở nối tiếp, điện trở tương

1 Cầu phân áp là gì?

2 Viết công thức chung của cầu phân áp?

3 Làm các bài tập sau

Cầu phân áp (Voltage Divider)

82Bài tập 1.4

Bài tập 1.5: Cho mạch như sau, tìm các thông

số chưa biết

Công suất trong mạch nối tiếp

• Công suất trong mạch nối tiếp được tính

bằng tổng công suất của các thiết bị trong mạch

• Công thức: P T =P 1 +P 2 +…+P n

P T = V s I

P T = I 2 R T

P T = V s2 /R T

Mạch hở

• Hầu hết các hỏng hóc trong mạch nối tiếp

đều xảy ra tại các điểm hở mạch.

• Cách xác định điểm hở mạch trong mạch:

– Đo áp rơi trên mỗi điện trở nối tiếp

– Áp rơi = 0 =>điện trở tốt

– Áp rơi = điện thế nguồn => hở mạch

Hở mạch khi nguồn dòng bằng zero (0A)

• Một nguồn dòng lý tưởng I = 0 A tương đương với

mạch hở

• Có thể vẽ với nguồn I = 0 A, nhưng không thực tế

• Không thể nối nguồn dòng vào mạch hở

• Trong thực tế, nguồn dòng sẽ hỏng nếu nối vào

mạch hở

Ngắn mạch

• Thường xảy ra trong những mạch có mật độ

bố trí linh kiện cao, ví dụ: PC board, mạch

điện tử nhiều lớp,…

• Kết quả: Dòng tăng cao đột ngột có thể làm

hỏng thiết bị

Bài tập 2.1

• Xác định các nhóm điện trở nối tiếp

• Chỉ ra cách nối chân sao cho tất cả các điện trở đều nối tiếp

R1

R2

R3 R4 R5

Bài tập 2.2: Xác định điện trở giữa A và B tại

750 R4

820 R3

910 R2

680 R5

Điện trở song song ( parallel)

• Khi đầu cuối của các phần tử mạch được nối

vào cùng hai điểm, các phần tử mạch đó

được gọi là song song nhau.

91

Xét hai điện trở song song và áp rơi v(t) trên

chúng:

2 1

2

1( ) ( )

R R

R t

i t

i

+

=

2 1

1

2( ) ( )

R R

R t

i t

• Nếu thay thế hai điện trở song song bằng một

điện trở tương đương thì điện trở tương

đương có giá trị như sau:

93

21

2

1

R R

• Đối với N điện trở song song, điện trở tuơng

đương có giá trị sau:

R R

R

1 1

1 1

1

3 2

1

+ +

+ +

=



Phân dòng

Dòng tổng IT = I1 + I2 + I3

IT = 5mA + 10mA + 20mA = 35mA

Bài tập 2.3: Tính điện trở trong mỗi

nhánh

Bài tập 2.4: Tính tổng trở